Электрическое сопротивление металлов
Сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом, очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время свободного пробега электрона между столкновениями , тем больше удельное сопротивление металла.
В свою очередь, время зависит от расстояния между ионами решетки, амплитуды их колебаний, характера взаимодействия электронов с ионами и скорости теплового движения электронов. С ростом температуры металла амплитуда колебаний ионов и скорость теплового движения электронов увеличиваются. Возрастает и число дефектов кристаллической решетки. Все это приводит к тому, что при увеличении температуры металла столкновения электронов с ионами будут происходить чаще, т.е. время уменьшается, а удельное сопротивление металла увеличивается.
Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.
Электри́ческое сопротивле́ние (э.с.) – физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока, измеряется в Омах (Ом).
Э. с. обусловлено передачей или преобразованием электрической энергии в другие виды: при необратимом преобразовании электрической энергии (преимущественно в тепловую энергию) э. с. называется активным сопротивлением; э. с., обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно), называется реактивным сопротивлением.
Эталоном сопротивления 1 Ом служит столбик ртути длиной 106,3 см и площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 0°С.
На практике часто сопротивления измеряют тысячами Ом – килоомами (кОм) или миллионами (мОм) – мегаомами (мОм).
Сопротивление (часто обозначается буквой или ) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как:
,
где – сопротивление; – разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника; – сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов.
В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.
Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:
,
где
–
удельное
сопротивление
вещества проводника (измеряется в СИ:
),
–
длина проводника,
–
площадь сечения проводника (активное
сопротивление для однородного по составу
элемента в виде бруска, пластины, трубки
или проволоки при постоянном его
сечении).
Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.
(За величину, характеризующую удельное сопротивление, обычно принимают сопротивление куба с ребром 1 м).
По удельному сопротивлению все вещества делятся на проводники, полупроводники, диэлектрики (изоляторы).
Сопротивление зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника и от температуры.
Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких Кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости).
Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры растёт. Сопротивление также меняется по мере увеличения тока/напряжения, протекающего через проводник/полупроводник.
Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.